Processamento e caracterização microestrutural e elétrica de mono célula a combustível óxido sólido (SOFC) a base de aluminatos de cálcio

Formas alternativas de geração de energia elétrica têm sido estudadas e desenvolvidas, especialmente as que utilizam fontes renováveis. Entre estas, as células a combustível destacam-se como uma tecnologia bastante promissora. Entre os vários tipos, a célula a combustível óxido sólido (SOFC) possui a vantagem de trabalhar com conversão de vários combustíveis gasosos com atmosfera redutora que pode conter por exemplo, H2, CO, CH4, CO2 e H2O. Nestas células, o eletrólito deve ser impermeável aos gases que são difundidos nos eletrodos, para impedir que eles se misturem. O aluminato de cálcio (CA) via método dos precursores poliméricos é um material que tem potencial para ser utilizado como eletrólito em SOFC. Logo, neste trabalho propõe-se a obtenção de uma mono célula a combustível óxido sólido constituída de aluminatos de cálcio. Para este fim, o óxido de níquel é misturado com CA (CA/NIO) para obter o anodo e a manganita de lantânio dopada com estrôncio misturada com CA (CA/LSM) para obter o cátodo, ambos via síntese de combustão. Devido a diferença dos coeficientes de expansão térmica (CET) entre o eletrólito (CA) e os eletrodos (CA/NIO e CA/LSM), é necessário a adição do CA aos eletrodos. Para a montagem da mono célula foi utilizado o método de prensagem associado à técnica de Materiais com Gradiente de Funcionalidade (FGM), obtendo-se diversas camadas com proporções distintas dos eletrodos. Posteriormente, foi realizado o teste de funcionamento e desempenho da mono SOFC. Diferentes caracterizações foram realizadas como, MEV e MET, análise química, propriedades térmicas, gap ótico, propriedades elétricas em corrente DC e AC, densidade aparente e relativa bem como a caracterização eletroquímica para testar a desempenho da mono SOFC com gás acetileno. Após as caracterizações dos pós do CA, verificou-se a partir das análises de difração de Raios X e Raman, a presença e coexistência das duas fases: Ca3Al2O6 (celita) com 70,157 % e Ca12Al14O33 (mayenita) com 29,843 %, chamado Composição Bifásica de Celita e Mayenita auto-modificada (CBCM). Além disso, foi observado que possui uma condutividade mista (iônica e eletrônica) e sob a condição de uma atmosfera redutora, na faixa de temperatura de 750-950 °C, uma energia de ativação de 2,98 eV. Nesse contexto, o CA possui um transporte eletrônico de condução, podendo ser governado pela fase de menor concentração, a mayenita, por sua natureza e concentração de grandes defeitos. Em relação ao teste de desempenho e funcionamento da célula, utilizou-se a atmosfera de pC2H2 (anodo)= 0,7537 mV. Atmosfera não usada normalmente, sendo portanto um diferencial neste trabalho. Outra medida foi de potencial de circuito aberto na temperatura de 600 °C, obtendo-se um valor de 915 mV, bem próximo ao esperado, Potencial de Nernst de 1200 mV.Alternative forms of electric power generation have been studied and developed, especially those that use renewable sources. Among these, fuel cells stand out as a very promising technology. Among the various types, the solid oxide fuel cell (SOFC) has the advantage of working with conversion of various gaseous fuels with reducing atmosphere, which may contain, for example, H2, CO, CH4, CO2 and H2O. In these cells, the electrolyte must be impermeable to the gases that are diffused on the electrodes, to prevent them from mixing. Calcium aluminate (CA) via the polymer precursor method is a material that has potential to be used as an electrolyte in SOFC. Therefore, the purpose of this work is to obtain a solid oxide solid cell composed of calcium aluminates. To this end, the nickel oxide is mixed with CA (CA/NIO) to obtain the anode and lanthanum manganite doped with strontium mixed with CA (CA/LSM) to obtain the cathode, both via combustion synthesis. Due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the electrolyte (CA) and the electrodes (CA/NIO and CA/LSM), it is necessary to add the CA to the electrodes. For the assembly of the mono cell, the pressing method associated to the Gradient Functional Materials (FGM) technique was used, obtaining several layers with different proportions of the electrodes. Subsequently, the performance and performance test of the SOFC mono was performed. Different characterizations were performed such as SEM and TEM, chemical analysis, thermal properties, optical gap, electrical properties in DC and AC current, apparent and relative density as well as the electrochemical characterization to test the performance of mono SOFC with acetylene gas. After the characterization of the CA powders, the presence and coexistence of the two phases: Ca3Al2O6 (celite) with 70,157 % and Ca12Al14O33 (mayenite) with 29,843 %, called Biphasic Composition of Celite and self-modified Mayenite (CBCM). In addition, it was observed that it has a mixed conductivity (ionic and electronic) and under the condition of a reducing atmosphere, in the temperature range of 750-950 °C, an activation energy of 2.98 eV. In this context, the CA has an electronic transport of driving, and can be governed by the phase of lower concentration, the mayenite, by its nature and concentration of major defects. Regarding the performance and cell performance test, the atmosphere of pC2H2 (anode) = 0.7537 mV was used. Atmosphere not used normally, therefore being a differential in this work. Another measure was open circuit potential at a temperature of 600 °C, obtaining a value of 915 mV, very close to the expected, Nernst potential of 1200 mV

Eletrodo, eletrólito, célula a combustível óxido sólido e processo de produção de energia

Universidade Federal do Rio Grande do SulEngenhariaDepositad

Mixed electrical conduction of calcium aluminates synthesized by polymeric precursors

A study of the electrical transport properties of calcium aluminate (CA) with coexisting C3A and C12A7 phases was carried out. In this work, powders resulting from synthesis based on the polymer precursor method. The resulting product was characterized by means of XRD, Raman, and UV-visible analysis to obtain the optical BG and by EIS. From the XRD and Raman analyses, the presence and coexistence of the two self-modified phases were confirmed. In this biphasic composition, celite phase was estimated to be the major phase. An optical BG of 5.69 eV at room temperature was calculated, and under the condition of a reducing atmosphere in the temperature range of 750-950 ºC, an activation energy for conduction of 2.98 eV was determined by EIS measurements. Further, in this biphasic sample, the electronic conduction transport might be governed by the mayenite minor phase due to its large defect nature and concentration compared to celite. In oxidizing conditions, the activation energy for electrical conduction was 1.42 eV, which is somewhat higher than that observed by other authors in mayenite single phase; this result was explained by taking into account the coexistence of biphasic material and an actual chemical defect scenario in SMCM is discussed

Investigação experimental das transições de fase do aluminato de cálcio e suas características óticas e estruturais

The acquisition of ceramics from polymeric precursors has been the subject of numerous studies due to lower cost energy, particle morphology and properties compared to conventional processing. The calcium aluminates (CAs) are employed for different applications as cements, Biomaterials and components for high temperature fuel cells, which present various properties such as optical, electrical, thermal and mechanical properties. In addition to good performance in corrosive environments and are also bioactive and biocompatible since they offer a lower toxicity to man and the environment. The aim of this study was to investigate and improve the study of powder synthesis of nanoparticles C3A. Thus, we investigated the influence of temperature in the range of 700-1300°C at a concentration of 70% calcium and 30% aluminum with the obtaining of ceramic powders in addition, another objective was to develop samples in tablet form from the ceramic powder. To perform the synthesis was by the method of chemical precursors of polymeric precursors were used as the nitrates of aluminum and calcium, further, we used ethylene glycol and citric acid in the proportions ordinarily employed technique to form the polymeric resin. The same was subjected to pre-calcination was soon desaglomerada for the starting powder and this powder was calcined at different temperatures. With this method the polymeric precursor particles become more homogeneous thereby, the synthesis of CAs can be obtained at lower temperatures, resulting monophasic powders of high purity. We carried out a study of the evolution of the crystalline phases by X-ray diffraction (XRD) and allowed identification of single phase powder predominantly Furthermore, studies on the vibrational modes of nuclear localization of the crystalline phases by micro-Raman spectroscopy and IR. Chemical analysis was performed by means of X-ray spectroscopy (EDX) and a study of the morphology of the C3A, the measurements of the crystallite size and particle size, as well as images of scanning electron microscopy and transmission. Studies on optical properties C3A by UV-visible spectroscopy and thermal properties with the thermal thermogravimetric analysis, differential thermal analysis and dilatometry to verify thermal expansion. From the characterizations carried out it may be concluded that the results presented relate to the literature, since the methodology of the polymeric precursor is presented efficiently to synthesize the C3A phase pure.Sem bolsaA aquisição de materiais cerâmicos a partir de precursores poliméricos tem sido objeto de inúmeros estudos devido ao menor custo energético, morfologia de partículas e propriedades em relação ao processamento convencional. Os aluminatos de cálcio (CAs) são empregados para diferentes aplicações como: cimentos, biomateriais e componentes para células combustível de alta temperatura, por apresentarem varias propriedades, tais como, óticas, elétricas, térmicas e mecânicas. Além de apresentar bom desempenho em ambientes corrosivos e também são bioativo e biocompativel, visto que proporcionam uma menor toxicidade para o homem e para o meio ambiente. O objetivo deste trabalho foi investigar e aprimorar o estudo de síntese de pós nanoparticulados de C3A. Desse modo, foi investigada a influência da temperatura compreendida na faixa entre 700-1300°C na concentração de 70% de cálcio e 30% alumínio com a obtenção dos pós cerâmicos, além disso, outro objetivo foi desenvolver amostras na forma de pellets a partir do pó cerâmico. Para a realização da síntese foi pelo método químico dos precursores poliméricos, foram utilizados como precursores os nitratos de alumínio e de cálcio, além disso, utilizou-se etileno glicol e ácido cítrico nas proporções normalmente empregadas pela técnica para formar a resina polimérica. A mesma foi submetida à pré-calcinação, logo em seguida foi desaglomerada para obter o pó de partida, e este pó foi calcinado em diferentes temperaturas. Com esse método dos precursores poliméricos as partículas tornam-se mais homogêneos, desse modo, a síntese dos CAs podem ser obtidos em temperaturas mais baixas, resultando em pós monofásicos de alta pureza. Foi realizado um estudo da evolução das fases cristalinas por meio de difração de raios-X (DRX) e permitiu identificação do pó predominantemente monofásico, além disso, foram estudados os modos vibracionais de localização atômicas nas fases cristalinas por meio de espectroscopia micro-Raman e infravermelho. Análise química foi realizada por meio da espectroscopia de raios-X (EDX) e foi realizado um estudo da morfologia das partículas de C3A, pelas medidas do tamanho de cristalito e tamanho da partícula, além de imagens de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Estudos sobre propriedades óticas do C3A através da espectroscopia UV-visível e propriedades térmicas com as analises térmicas de termogravimétrica, análise térmica diferencial e dilatometria, para verificar a expansão térmica. A partir das caracterizações realizadas pode-se concluir que os resultados apontados relacionam-se com a literatura, visto que, a metodologia dos precursores poliméricos, apresenta-se com eficiência para sintetizar em fase pura o C3A

Eletrodo, eletrólito, célula a combustível óxido sólido e processo de produção de energia

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Mixed electrical conduction of calcium aluminates synthesized by polymeric precursors

A study of the electrical transport properties of calcium aluminate (CA) with coexisting C3A and C12A7 phases was carried out. In this work, powders resulting from synthesis based on the polymer precursor method. The resulting product was characterized by means of XRD, Raman, and UV-visible analysis to obtain the optical BG and by EIS. From the XRD and Raman analyses, the presence and coexistence of the two self-modified phases were confirmed. In this biphasic composition, celite phase was estimated to be the major phase. An optical BG of 5.69 eV at room temperature was calculated, and under the condition of a reducing atmosphere in the temperature range of 750-950 ºC, an activation energy for conduction of 2.98 eV was determined by EIS measurements. Further, in this biphasic sample, the electronic conduction transport might be governed by the mayenite minor phase due to its large defect nature and concentration compared to celite. In oxidizing conditions, the activation energy for electrical conduction was 1.42 eV, which is somewhat higher than that observed by other authors in mayenite single phase; this result was explained by taking into account the coexistence of biphasic material and an actual chemical defect scenario in SMCM is discussed